适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源系统技术方案

一种适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源系统，该激光光源系统包括：泵浦激光源装置，适用于产生第一泵浦激光和第二泵浦激光，所述第一泵浦激光和所述第二泵浦激光为脉冲激光；种子光产生装置，适用于产生最终种子激光，其中，所述最终种子激光为单频连续激光，所述最终种子激光的波长范围为1082

Laser source system for helium resonance fluorescent lidar

【技术实现步骤摘要】
适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源系统


[0001]本专利技术涉及光学仪器中的激光器领域，特别涉及适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源系统。

技术介绍

[0002]氦（He）在热层是非常重要的大气元素，热层中亚稳态He原子［He（23S）］主要由基态He原子和高能光电子直接碰撞产生，1997年，Gerrard首次提出自然存在的He可作为热层的有效散射体，可通过调谐至该原子共振频率的激光(1083nm)探测亚稳态He背向散射荧光，获得200
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1000km高空温度、风向、密度等大气参数。氦共振荧光激光雷达具有在热层和外逸层进行突破性测量的潜力。
[0003]氦共振荧光激光雷达需要具有高功率（10
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100W）、窄带宽（<1MHz）、小发散角（<1mrad）的激光光源，光源可以为连续激光光源或脉冲激光光源。其中连续激光光源是将窄线宽种子激光器输出的1083nm连续激光通过多级掺镱放大器进行放大，激光功率较低，且因为无法以收到回波信号的时间先后来确定对应信号，故需要具有较多像素的光敏面以实现一定的距离分辨能力，但在高度上距离分辨能力较差，同时连续激光雷达的成像方式对于距离、角度的准确度有很高的要求，实现起来难度高。连续激光雷达系统单列像素元的信噪比较差，冬季信号信噪比最高不到10，夏季信号信噪比最高不到0.1。与连续激光雷达系统对比，冬季时，脉冲激光雷达系统信噪比最高可以达到300，夏季时，由于亚稳态氦原子密度较低，信噪比能仍达到13左右，皆满足有效观测对信噪比大于10的要求。因此脉冲激光雷达系统更具优势，但现无商品化高能脉冲1083nm激光光源。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题。
[0005]为实现上述目的，作为本专利技术一个方面提供了一种适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源系统，包括：泵浦激光源装置，适用于产生第一泵浦激光和第二泵浦激光，第一泵浦激光和第二泵浦激光为脉冲激光；种子光产生装置，适用于产生最终种子激光，其中，最终种子激光为单频连续激光，最终种子激光的波长范围1082
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1084nm，最终种子激光的波长大于第一泵浦激光的波长和第二泵浦激光的波长，第二泵浦激光和最终种子激光在空间耦合；光学参量生成装置，适用于根据部分第二泵浦激光和部分最终种子激光得到信号光和闲频光，其中，第二泵浦激光的相位等于闲频光的相位与信号光的相位之和，信号光的波长与最终种子激光的波长相同；多级光参量放大装置，适用于基于第一泵浦激光、来自于光学参量生成装置的另一部分第二泵浦激光和闲频光的强度进行光参量放大，得到波长范围为1082
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1084nm且适
用于氦共振荧光激光雷达的激光光源。
[0006]可选地，第一泵浦激光和第二泵浦激光的脉冲宽度相同。
[0007]可选地，第一泵浦激光、第二泵浦激光、最终种子激光和信号光在第一方向上偏振，闲频光在垂直于第一方向的第二方向上偏振。
[0008]可选地，泵浦激光源装置包括：泵浦光产生单元，适用于产生第一泵浦激光和第三泵浦激光，其中，第三泵浦激光为脉冲激光；倍频单元，适用于使第三泵浦激光发生倍频，得到第二泵浦激光。
[0009]可选地，泵浦光产生单元包括：掺钕钇铝石榴石激光器激光器激光器，适用于产生第一初始泵浦激光和第三初始泵浦激光；偏振及放大模块，适用于对第一初始泵浦激光的偏振方向进行筛选以及对第一初始泵浦激光的光斑进行放大，得到第一泵浦激光；偏振及缩小模块，适用于对第三初始泵浦激光的偏振方向进行筛选以及对第三初始泵浦激光的光斑进行缩小，得到第三泵浦激光。
[0010]可选地，光学参量生成装置包括：第一磷酸钛氧钾（即KTP）晶体，根据部分第二泵浦激光和部分最终种子激光得到信号光和闲频光；第一双色镜，适用于对信号光、闲频光以及另一部分最终种子激光进行反射，以及对另一部分第二泵浦光进行透射；第一偏振分束立方体，适用于对闲频光进行反射以及对信号光进行透射，其中，信号光和另一部分最终种子激光被光能量收集器收集；合束单元，适用于将闲频光和另一部分第二泵浦激光合束。
[0011]可选地，多级光参量放大装置包括一级光参量放大单元和二级光参量放大单元；一级光参量放大单元包括：第二磷酸钛氧钾晶体，适用于利用另一部分第二泵浦激光对闲频光的光学参量进行放大，得到包括一级放大激光的第一混合激光，一级放大激光的波长与最终种子激光的波长相同，一级放大激光为水平偏振激光；第一滤光模块，适用于对第一混合激光进行过滤，得到一级放大激光；光斑增大模块，适用于放大一级放大激光的光斑，以及将光斑放大后的一级放大激光与第一泵浦激光耦合；其中，光斑放大后的一级放大激光与第一泵浦激光的光斑大小相同；二级光参量放大单元包括：第三磷酸钛氧钾晶体，适用于利用第一泵浦激光对光斑放大后的一级放大激光的光学参量进行放大，得到包括用于氦共振荧光激光雷达的激光光源的第二混合激光；第二滤光模块，适用于对第二混合激光进行过滤，得到波长范围为1082
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1084nm且适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源。
[0012]可选地，种子光产生装置包括：半导体激光器，适用于产生初始种子激光，初始种子激光为波长范围为1082
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1084nm的连续激光；偏振单元，适用于对初始种子激光的偏振方向进行筛选，得到最终种子激光。
[0013]可选地，上述激光光源系统，还包括：控制装置，适用于对光学参量生成装置、多级光参量放大装置进行控制。
[0014]可选地，第一磷酸钛氧钾晶体尺寸为12mm*10mm*30mm，其中12mm*10mm的两个面为通光面，第一磷酸钛氧钾晶体的通光面均镀有宽带增透膜，第一磷酸钛氧钾晶体主轴平面为水平面，切割角均为90度和10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配。
[0015]可选地，第二磷酸钛氧钾晶体的尺寸为12mm*10mm*30mm，其中12mm*10mm的两个面为通光面，第二磷酸钛氧钾晶体的通光面均镀有宽带增透膜，第二磷酸钛氧钾晶体的主轴平面为水平面，切割角为90度和10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配；第三磷酸钛氧钾晶体的尺寸为18mm*18mm*15mm，其中18mm*18mm的两个面为通光面，第三磷酸钛氧钾晶体的通光面均镀有宽带增透膜，第三磷酸钛氧钾晶体的主轴平面为水平面，切割角为90度和10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配。
[0016]利用泵浦激光源装置产生波长大于最终种子激光的第一泵浦激光和第二泵浦激光，第二泵浦激光和最终种子激光耦合，得到耦合激光，该耦合激光的一部分经光学参量生成装置生成信号光和闲频光，并且满足第二泵浦光的相位等于闲频光的相位与信号光的相位之和，该耦合激光的另一部分中的第二泵浦激光和第一泵浦激光通过多级光参量放大装置对耦合激光的另一部分中的闲频光的强度进行多级放大，最终可以得到用于氦共振荧光激光雷达的激光光源，该用于氦共振荧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源系统，包括：泵浦激光源装置，适用于产生第一泵浦激光和第二泵浦激光，所述第一泵浦激光和所述第二泵浦激光为脉冲激光；种子光产生装置，适用于产生最终种子激光，其中，所述最终种子激光为单频连续激光，所述最终种子激光的波长范围为1082
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1084nm，所述最终种子激光的波长大于所述第一泵浦激光的波长和所述第二泵浦激光的波长，所述第二泵浦激光和所述最终种子激光在空间耦合；光学参量生成装置，适用于根据部分所述第二泵浦激光和部分所述最终种子激光得到信号光和闲频光，其中，所述第二泵浦激光的相位等于所述闲频光的相位与所述信号光的相位之和，所述信号光的波长与所述最终种子激光的波长相同；多级光参量放大装置，适用于基于所述第一泵浦激光、来自于所述光学参量生成装置的另一部分所述第二泵浦激光和所述闲频光进行光参量放大，得到波长范围为1082
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1084nm且适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源。2.根据权利要求1所述的激光光源系统，其中，所述第一泵浦激光和所述第二泵浦激光的脉冲宽度相同；所述第一泵浦激光、所述第二泵浦激光、所述最终种子激光和所述信号光在第一方向上偏振，所述闲频光在垂直于所述第一方向的第二方向上偏振。3.根据权利要求2所述的激光光源系统，其中，所述泵浦激光源装置包括：泵浦光产生单元，适用于产生所述第一泵浦激光和第三泵浦激光，其中，所述第三泵浦激光为脉冲激光；倍频单元，适用于使所述第三泵浦激光发生倍频，得到所述第二泵浦激光。4.根据权利要求3所述的激光光源系统，其中，所述泵浦光产生单元包括：掺钕钇铝石榴石激光器，适用于产生第一初始泵浦激光和第三初始泵浦激光；偏振及放大模块，适用于对所述第一初始泵浦激光的偏振方向进行筛选以及对所述第一初始泵浦激光的光斑进行放大，得到所述第一泵浦激光；偏振及缩小模块，适用于对所述第三初始泵浦激光的偏振方向进行筛选以及对所述第三初始泵浦激光的光斑进行缩小，得到所述第三泵浦激光。5.根据权利要求2所述的激光光源系统，其中，所述光学参量生成装置包括：第一磷酸钛氧钾晶体，根据部分所述第二泵浦激光和部分所述最终种子激光得到所述信号光和所述闲频光；第一双色镜，适用于对所述信号光、所述闲频光以及另一部分所述最终种子激光进行反射，以及对另一部分所述第二泵浦光进行透射；第一偏振分束立方体，适用于对所述闲频光进行反射以及对所述信号光进行透射，其中，所述信号光和另一部分所述最终种子激光被光能量收集器收集；合束单元，适用于将所述闲频光和另一部分所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵东锋，肖增军，王兆峰，顾洁琼，张强，陈旸，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：